Помножувач частоти великої кратності міліметрового діапазону з малими втратами

Більш ефективним типом напівпровідникового помножувача частоти буде такий пристрій, у якому частина вхідної потужності не перетвориться в потужність постійного струму. Нелінійним елементом в помножувачах частоти може використовуватись або нелінійний опір, що не є уніполярним, або нелінійна реактивність. У якості останньої може успішно застосовуватися ємність замкненого р-n - переходу спеціальних напівпровідникових діодів. Помноження частоти на нелінійному опорі замкненого діоду неефективно, тому, що в області допустимих обернених напруг нелінійність опору переходу виражена слабко.

Можливість виділення гармонійних складових у нелінійно-ємнісних помножувачах (NС-типу) пов'язана з залежністю ємності від прикладеного до р-n - переходу напруги.

Насправді, якщо ємність є функцією напруги, то залежності заряду і струму від напруги

будуть нелінійними, що призведе до перекручування форми вхідного сигналу і появі гармонік основної частоти. Гармонійні складові можуть бути виділені за допомогою частотно-вибіркових ланцюгів (фільтрів). У цьому і полягає принцип помноження частоти на нелінійній ємності .

Оскільки на нелінійній реактивності без втрат і при однозначній залежності заряду від напруги потужність не розсіюється, сума потужностей на всіх частотах повинна бути ріва нулю, тобто

Цей висновок безпосередньо випливає з закону збереження енергії.

Отже, в помножувачі на нелінійній ємності при зроблених допущеннях теоретично може бути отриманий коефіцієнт передачі, рівний одиниці (уся потужність основної частоти перетвориться в потужність гармоніки). При цьому коефіцієнт передачі не буде залежати від номера гармоніки, рівня вхідної потужності і виду вольт-фарадної характеристики нелінійного елементу.

Помножувачі на нелінійному опорі напівпровідникових діодів застосовуються порівняно рідко і, як правило, при малих рівнях вхідної потужності. Крім того, помножувачі цього типу в приладах НВЧ потребують ретельного попереднього налагодження, а самі нелінійні опори не відрізняються високою стабільністю характеристик.

У транзисторно-параметричних помножувачах частоти (ТППЧ) використовується нелінійна ємність колекторного переходу транзисторів. При подачі вхідного сигналу прикладена до переходу колектор – база, напруга модулює ємність колекторного переходу, що викликає параметричну генерацію гармонік. Транзистор тут виконує одночасно дві функції: підсилювача потужності вхідного сигналу і варакторного помножувача на ємності переходу колектор - база. На відміну від помножувачів на транзисторах з відсічкою струму колектора в даному випадку гранична частота гармоніки, що виділяється, може істотно перевищувати граничну частоту транзистора.

Принципи побудови схем ТППЧ і методи їхнього аналізу мають багато загального з варакторними помножувачами частоти. На практиці знайшли застосування помножувачі цього типу на відносно потужних і малопотужних транзисторах. Останні, наприклад, можуть забезпечувати коливальну потужність гармоніки, що виділяється порядку 10 мВт на частотах до 1,5 ГГц, що дозволяє ефективно їх використовувати в якості простих, економічних і надійних гетеродинів приймачів дециметрового діапазону.

Ці методи є ефективними лише при помноженні в 2-4 рази, і для створення високоефективних генераторів у мм-діапазоні при помноженні від високостабільних кварцових генераторів потрібно занадто багато каскадів помноження.У останні роки широке поширення одержали помножувачі частоти на діодах із накопиченням заряду (ДНЗ). У ДНЗ для генерації гармонік використовується режим із відмиканням переходу. При цьому інжектовані в позитивний півперіод напруги на діоді неосновні носії не встигають рекомбінувати (час їхнього життя р перевищує півперіод сигналу). У результаті накопичення заряду неосновних носіїв при зміні полярності вхідної напруги протягом деякого часу (часу встановлення) перехід залишається практично провідний і обернений струм досягає значної величини. Потім наступає фаза відновлення оберненого опору tв і струм через діод різко зменшується. Таким чином, у ДНЗ залежність i(t) має яскраво виражену нелінійність і форма кривої струму виявляється насиченою гармонійними складовими основної частоти. Насиченість спектру струму гармоніками в ДНЗ збільшується при зменшенні часу відновлення. Саме такий режим найбільш цікавий з погляду використання у ВПЧ.

ДНЗ у порівнянні зі звичайними варакторами мають дві істотних переваги: 1) можливість роботи при значних рівнях вхідної потужності (від одиниць до декількох десятків ватів) із достатньо високою ефективністю; 2) однокаскадне генерування гармонік високого порядку з меншими втратами перетворення, чим у варакторів, до частот 10 ГГц і вище( fвх =200 МГц, n=10, Рвх=0,5 Вт, Рвих=0,06 Вт, =0,12).